RESSOURCE SOLAIRE POUR VR

Pour un système solaire sain et efficace

Préambule – à lire absolument avant d’utiliser la page de calcul

Cette feuille de calcul a été conçue pour mon bénéfice personnel (note 1) afin de mieux orienter le choix des principaux composants – panneau solaire, (turbine à vent dans le cas des voiliers), batterie et contrôleur de charge – en fonction des besoins et correspondant à la capacité des batteries sur un voilier de taille moyenne (24-50 pieds) — j’y ai apporté des modifications pour l’adapter à l’usage de tout type de véhicules routier motorisé et d’appareils qui consomment de l’électricité 12 volts.

Ainsi j’ai modifié la feuille de calcul pour refléter ce que nous faisons habituellement en petit véhicule récréatif, c’est-à-dire arriver sur un lieu de camping tard dans l’après-midi avec une batterie chargée par l’alternateur du véhicule durant le déplacement (note: ça peut aussi être le cas d’une batterie chargée par le panneau solaire si c’est la seule source d’alimentation en électricité), puis passer un ou plusieurs jours en camping en comptant sur la seule énergie solaire pour réalimenter la batterie d’usage.

Alors voici, le but de cette page est d’aider à choisir la puissance (en watts) du panneau solaire qui qui sera optimale à la capacité de la batterie et à la demande (Ah) qui sera fait sur celle-ci, par exemple par le réfrigérateur, les lumières et quelques autres appareils.

La page contient des calculs pour les périodes de jour et de nuit car les besoins en énergie sont différents pour chacun et bien sûr, il n’y a absolument aucune énergie solaire générée la nuit. L’énergie générée par les panneaux solaires est utilisée par le réfrigérateur, la pompe à eau, les lumières, chargeurs, prises USB etc. avec tout surplus fourni à la batterie jusqu’à ce que la batterie soit chargée à pleine capacité (SOC = 100% – voir l’image en marge) – L’arithmétique dans la feuille de calcul est correcte, vérifiée et validée, mais elle repose sur des hypothèses et celles-ci dépendent de l’utilisateur et donc il y a une grande flexibilité possible.

Avec l’habitude il sera facile de monter différentes configurations en modifiant la puissance du panneau, le nombre d’heures d’ensoleillement, la capacité de la batterie, etc.

Les valeurs qui sont nécessaires au calcul sont localisées dans les cellules formatées en JAUNE – Les autres cellules sont protégées contre l’altération, et les calculs sous-jacents ne peuvent pas être modifiés – Certaines de ces formules sont complexes de manière à permettre les scénarios « vert – orange – rouge » qui indiquent s’il y a ou non puissance suffisante à la batterie?

Les valeurs

J’ai lu beaucoup d’information selon lesquelles l’alternateur d’une voiture chargerait une batterie entre 70% et 99%. Donc choisissez l’état de charge initial en choisissant une valeur entre 70% (réel) et 100% (jovialiste) ou mesurer la tension exacte de votre batterie avec un bon voltmètre (ils ne le sont pas tous) après avoir roulé un certains temps, et alors que le circuit est ouvert et après avoir laissé la batterie se « reposer » pendant plusieurs heures tous les accessoires débranchés ou fermés. Un tableau dans le chiffrier titré « Batterie State Of Charge  SOC » montre différents voltages pour les batteries humides standard à faible entretien ou sans entretien aini que pour les batteries de type AGM ou GEL.

Il est très peu probable que les panneaux solaires fonctionnent à 100% d’efficacité en raison, par exemple, de la température, de l’ombre occasionnelle, parce que posé à plat et non directement exposé face au soleil etc. On estime généralement ces pertes à 30%, donc une efficacité réelle du panneau à 70%. Vous voudrez peut-être changer cette valeur si vous êtes parmi les optimistes du soleil, mais je vous conseille la valeur de 70%.

Quelques autres valeurs initiales, à modifier au besoin sur la page de calcul (voir la figure ci-après ou la page de calcul elle-même)

  • Capacité affichée sur la batterie (amphrs, Ah) : la capacité ou puissance de la batterie – Voir le texte plus bas à propos de la capacité de la batterie et sa recharge solaire.
  • Minimum admissible SOC : pourcentage restant de la capacité de la batterie, idéalement jamais en bas de 60% (60% SOC)- DONC : pour une batterie affichée 50Ah, la capacité réellement disponible restante est en ‘bonne’ pratique de 30Ah .
  • ÉTAT INITIAL (capacité estimée au début) : état de charge estimé de la batterie à l’arrêt du véhicule ou au début du cycle de calcul : une batterie n’est pas toujours neuve, en vieillissant elle perd de sa capacité, l’alternateur ne charge peut-être pas selon sa pleine capacité et même s’il le fait il ne charge pas la batterie pleinement .. ce sont des pertes réelles qui affectent la plupart des batteries. On estime la charge initiale à 80%. Ce qui reste de disponible pour alimenter les appareils électriques est donc 10Ah.
  • RESSOURCE SOLAIRE : Capacité nominale (Watts) : la puissance du panneau affichée en Watts – le panneau, le filage, les connecteurs sont rarement efficaces à 100% même en plein soleil, il peut y avoir des contraintes de chaleur (qui affecte tout particulièrement le panneau flexible posé à plat sur une surface plane), la poussière, l’usure du plastique etc. Ces pertes réelles (aucun panneau installé n’est parfait) sont estimées entre 20 et 30%. – Il reste une dernière soustraction qui est la perte du système dans son ensemble – ici estimé à 10% et qui pourrait être plus selon le qualité du contrôleur utilisé, cette perte est aussi réelle, aucun système de produit à 100%.

Toutes les charges (réfrigérateur, lampes, etc.) sont supposées être à 12V et la charge de la batterie par l’alternateur est supposée être entre 13.7 et 14V (normale pour un Vanagon).


LIEN POUR LA PAGE DE CALCUL

Extrait de la page de calcul – l’exemple que vous verrez afficher présente un panneau solaire de 100W et une batterie de 50Ah qui alimente principalement une glacière Engel 45 litres durant 14 jours

Capacité de la batterie et recharge solaire

Une batterie est comme un compte bancaire sans intérêt. Il n’est pas possible d’accumuler plus que ce qui entre. Avoir à bord du véhicule une capacité de stockage excédentaire (calculée en AH) est non seulement inutile, mais est aussi contre productive car les pertes d’énergie à la batterie sont directement liées à leur nombre et à leur taille – plus vous avez d’Ah en stock plus vous aurez des pertes importantes.

La capacité maximale de la batterie ne doit jamais dépasser celle que vous pouvez facilement charger complètement la plupart des jours – soit avec l’alternateur du véhicule si vous êtes sur la route, soit avec le panneau solaire si vous êtes stationnaire. Idéalement, il faut environ 250 watts d’énergie solaire pour 100 Ah de capacité de batterie – soit un peu plus du double en nombre absolu. Une grande capacité solaire est très bien (maintenant aussi bon marché). Une capacité de batterie excessive est mauvaise (coûteuse tout en alourdissant le véhicule).

Exemple: 250 watts de puissance nominale au panneau solaire avec 4.5 heures de soleil par jour produira environ 175 watts (70% de 250 watts – pour tenir compte des pertes inévitables) pendant 4.5 heures / jour (soit environ 780 wattheures / jour). ). Compte tenu des pertes de charge, cela amènera une batterie de 12 volts 100 ampères-heure (1200 watts-heure) d’environ 35% de charge à près de 100% de charge en une journée. Comme un bon système doit être conçu pour décharger moins de 30% pendant la nuit (c’est-à-dire 70% de charge restante), cela donne une marge saine pour les charges occasionnelles qui demandent plus – et pour les jours avec moins de soleil.

C’est un fait : les meilleurs systèmes solaires fonctionnent de cette façon : beaucoup de capacité solaire et peu de batterie.

De cette façon, la batterie se rechargera aisément à sa pleine capacité même les jours à faible ensoleillement – et la batterie (ou les batteries) restera en parfaite condition pendant plusieurs années. Si vous avez besoin de plus de stockage, vous devrez aussi augmenter la capacité solaire en conséquence. Avoir peu de batterie peut aussi vouloir dire avoir peu de demande. Ainsi, comme le frigo est souvent la demande la plus gourmande, l’achat d’un frigo peu énergivore (par exemple Engel ARB, Truckfridge et les nouveaux Dometic pour ne mentionner qu’eux) est une excellente initiative et souvent le meilleur investissement qu’on puisse faire si l’alimentation en énergie solaire nous intéresse. Ainsi, il est un peu illusoire de vouloir investir dans un système d’alimentation solaire destiné à un petit véhicule tel le Westfalia (ou tout autre van de dimension comparable) si c’est pour faire fonctionner un frigo ou onduleur qui seul ou ensemble exigent 140-150 watts et plus d’énergie par jour.

Jusqu’à quel niveau puis-je laisser se décharger une batterie?

La plupart des réfrigérateurs ont une coupure de détection de tension qui déconnecte l’alimentation entrante si elle chute en dessous de 11,4 volts. On fait la mention que c’est pour protéger la batterie [!!!], mais la vrai raison est pour protéger le moteur du réfrigérateur contre la surchauffe – à 11.4 volts la batterie étant déjà dans la zone mortuaire! Pour faire une image, le niveau de décharge de la batterie est essentiellement un compromis entre votre train de vie et votre compte bancaire, mais à moins que vous ne mainteniez la décharge à 65% (soit 35% SOC restant), il vaut mieux acheter les batteries les moins chères. Dans ces circonstances, ces batteries bon marché et les véritables batteries à décharge profonde dureront probablement aussi peu longtemps l’une que l’autre. Mais ne prenez pas ce qui précède comme une recommandation. Je vous explique simplement ce qui se passe si vous le faites.

La meilleure façon d’utiliser sa batterie est d’avoir une configuration de charge qui nécessitera de l’énergie solaire (avec un contrôleur qui charge à paliers – ou comme alternative un chargeur à batterie intelligent) de sorte que les batteries soient systématiquement chargées à près de 100% de leur capacité, et déchargées pendant la nuit par un probable 15-20% (l’alternateur du véhicule ne rechargera jamais une batterie auxiliaire à 100% , le taux de 70% étant généralement reconnu comme norme). De cette façon, les batteries restent la plupart du temps à 85%-90% complètement chargées – et dureront pour toujours ou du moins très longtemps. C’est cette stratégie que vous devez idéalement avoir en tête lors du design de votre système solaire d’appoint.

L’ensoleillement et le panneau solaire

Les cartes suivantes, pour votre région, peuvent vous donner une référence pour ce qui est des valeurs d’ensoleillement: https://www.energyhub.org/solar-energy-maps-canada/

L’ensoleillement journalier, qui est le nombre d’heures par jour durant lesquelles une surface exposée de 1 m2 recevra une puissance solaire de 1000 W ; il s’exprime en heure/jour. Le rayonnement solaire, qui représente la quantité d’énergie solaire captée par une surface de 1 m2 exposé au soleil au cours d’une journée. Autrement dit, il équivaut à la puissance solaire maximale de 1000 Watts reçue par une surface de 1 m2 pendant un nombre d’heures donné au cours d’une journée : Il s’exprime en Wh/m2/jour. Autres unités : kWh/m2/jour, MW/ m2/jour.

En divisant la valeur du rayonnement solaire journalier par 1000 W/m2, on obtient l’ensoleillement. Exemple : un rayonnement solaire de 3000 kWh/m2/jour équivaut à (3000 kWh/m2/j) / (1000 W/m2) = 3 heures par jour d’ensoleillement.

En plus de ces données, il faut aussi définir la variabilité de la température sur le site (température moyenne et extrême) permettant de déterminer le choix de la batterie, évaluer la perte en puissance des modules PV et la caractéristique des câbles. La latitude du lieu permet elle, de déterminer l’inclinaison optimale des modules PV afin de capter le maximum de rayonnement solaire.

Un truc pour simplifier, au Québec on aura en moyenne:

  • 4 heures d’ensoleillement journalier en été (un maximum optimiste choisi par plusieurs est de 4.5)
  • 3 heures au printemps et à l’automne
  • 2 heures en hiver

Pour clarifier : un panneau solaire de 100 watts qui produit 6 ampères pendant les heures d’ensoleillement journalier aura produit à la fin de cette journée solaire typique de quatre heures, un total de 24 ampères-heures (6 ampères x 4 heures).

Calculus… Les ampères heures (Ah) est une unité d’énergie, c’est l’aire sous la courbe d’un graphique des ampères en fonction du temps.

La puissance du panneau ou de l’ensemble des panneaux doit satisfaire la consommation électrique des applications quelques soient les pertes réelles engendrées lors du fonctionnement du système (ex : propreté des panneaux, augmentation de la température, chute de tension dans les câbles, etc.). De ce fait la puissance photovoltaïque tenant compte de l’efficacité du système, multipliée par le nombre d’heures d’ensoleillement doit être équivalente à la consommation électrique à satisfaire soit : puissance du (des) panneau(x) = consommation électrique / (efficacité x nombre d’heures par jour). Ces calculs sont pris en compte par le calculateur.

Orientation des panneaux solaires

La bonne orientation du panneau est surtout importante durant les mois d’automne, d’hiver et de printemps ils doivent alors être orientés vers le sud à un angle optimal.

Selon la période d’utilisation les angles changent. Voici les angles optimums selon le mois pour la partie sud du Québec.

Janvier: 75 degrés
Février: 70 degrés
Mars: 50 degrés
Avril: 25 degrés
Mai: 10 degrés
Juin: 2 degrés
Juillet: 7 degrés
Août: 20 degrés
Septembre: 36 degrés
Octobre: 53 degrés
Novembre: 62 degrés
Décembre: 75 degrés

Pour l’installation sur les VR ou les bateaux, généralement on pose tout simplement les panneaux solaires à plat. Généralement utilisés pendant la période estivale des mois de mai à août, les pertes dues à l’angle d’orientation alors que le panneau est exposé au soleil seront minimes.

A venir: Choix d’un contrôleur de charge.

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Note 1. J'installe des panneaux solaires depuis plusieurs années, à vrai dire depuis environ 12 ans sur des voiliers en collaboration avec Solar and Wind Technology. 
Rédaction: Richard Poulin 2020

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